Việc thống nhất lực hấp dẫn với nữ thần báo ứng lượng tử của nó có thể cần một cỗ máy dò cỡ bằng vũ trụ. Vì thế, có hai nhà vật lí cho biết họ nghĩ rằng họ đã tìm ra một cách giải được một trong những mâu thuẫn lớn nhất trong vật lí học hiện đại, sử dụng các bản đồ phân giải cao của vũ trụ lạm phát.
Vũ trụ hiện nay được mô tả bởi hai khuôn khổ lí thuyết rạch ròi: lực hấp dẫn cho những vật thể lớn như các hành tinh và các lỗ đen, và cơ học lượng tử cho thế giới nhỏ bé của các boson và các quark. Mặc dù hầu như mọi người đều mong muốn rằng hai địa hạt lí thuyết này có liên hệ với nhau, nhưng chưa ai từng xây dựng được một chiếc cầu nối giữa hai bờ lí thuyết. Nghiên cứu trước đây tập trung vào việc tìm kiếm graviton – đơn vị lượng tử của lực hấp dẫn – sự tồn tại mong manh của cái sẽ thống nhất hai lí thuyết.
“Thật sự rất khó xây dựng một lí thuyết tương thích trong đó lực hấp dẫn không bị lượng tử hóa mà phần còn lại của thế giới thì bị,” phát biểu của Steven Carlip tại trường Đại học California, Davis.
Ba trong bốn lực cơ bản đã được chứng minh là được trung chuyển bởi hạt riêng của chúng, ví dụ photon mang lực điện từ và gluon mang lực mạnh. Vì thế, cái khiến người ta tự nhiên nghĩ tới là lực hấp dẫn cũng có hạt riêng của nó – graviton. Nhưng lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn lực, vì thế phải cần cái gì đó rất đồ sộ mới có độ nhạy cần thiết để phát hiện ra một graviton đơn độc. Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn đề xuất rằng không thể nào tìm thấy chúng, bởi vì một máy dò đủ nhạy sẽ phải đồ sộ đến mức co sụp thành một lỗ đen.
Nay, nhà vật lí giành giải Nobel Franck Wilczek thuộc Viện Công nghệ Massachusetts và Lawrence Krauss thuộc trường Đại học Arizona ở Tempe đề xuất rằng công cụ tốt nhất của chúng ta có thể là đi tìm những gợn sóng cổ xưa trong không-thời gian gọi là sóng hấp dẫn, chúng đã được tiên đoán bởi lí thuyết tương đối rộng.
Thay vì săn tìm trực tiếp hạt graviton, theo họ, chúng ta hãy nhìn vào bản đồ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), ánh sáng đầu tiên đã truyền khắp vũ trụ sau Big Bang (xem hình). Những bản đồ như thế cung cấp bằng chứng có sức mạnh rằng vũ trụ đã giãn nở nhanh chóng trong những phần nhỏ của giây đầu tiên của nó. Sự bùng nổ đó, gọi là lạm phát, sẽ gây ra sóng hấp dẫn làm tán xạ các photon của CMB theo những hướng ưu tiên, tạo ra hình ảnh phân bố định hướng trong ánh sáng tàn dư đó.
CMB có thể cung cấp manh mối cho sóng hấp dẫn
Wilczek và Krauss cho biết nếu chúng ta có thể tìm thấy những vết tích đó, thì chúng ta sẽ có bằng chứng đã được tìm kiếm bấy lâu nay cho sự hấp dẫn lượng tử. Đó là bởi vì sử dụng một công cụ gọi là phân tích thứ nguyên, họ đã tìm thấy một liên hệ dương tính giữa sóng hấp dẫn nguyên thủy và hằng số Planck, hằng số được sử dụng trong cơ học lượng tử. Điều đó có nghĩa là hoạt động cơ lượng tử sẽ là cần thiết để tạo ra sóng hấp dẫn trong giai đoạn lạm phát, Wilczek cho biết (arxiv.org/1309.5343).
Ý tưởng là hợp lí, mặc dù nó dựa trên một vài giả thuyết chưa được phát biểu, Carlip nói. Chẳng hạn, các nhà vật lí sẽ phải chỉ ra rằng sự phân cực của CMB là do các sóng hấp dẫn đã đề xuất, chứ không phải là kết quả của một quá trình nào đó khác.
Wilczek cho rằng chúng ta sẽ chưa đạt tới độ nhạy để phát hiện ra tác động của sóng hấp dẫn nguyên thủy trong CMB trong ít nhất 10 đến 15 năm nữa, bất chấp những bản đồ phân giải cao mới có từ vệ tinh Planck.
Tuy nhiên, nếu sóng hấp dẫn thật sự có bản chất lượng tử, thì nó đáng để chúng ta chờ đợi. “Đa số các nhóm lí thuyết bị thuyết phục rằng trường hấp dẫn bị lượng tử hóa,” Wilczek nói. “Nhưng trong khi chẳng có ai bất ngờ bởi sự tồn tại của hạt Higgs – dựa trên các dự đoán lí thuyết – thì việc chứng kiến hạt graviton lại là một chuyện khác.”
Theo Victoria Jaggard (New Scientist, số ra ngày 5/10/2013)
